[논문 리뷰] Optical clock intercomparison with $6 imes 10^{-19}$ precision in one hour

E. Oelker, Ross B. Hutson외 15명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 07.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 47인용 수 97

한 줄 요약

본 논문은 크라이오제닉 실리콘 기반의 초정밀 레이저 안정성을 갖춘 두 개의 Sr 격자 시계를 이용한 광학 시계 간 비교를 보여주며, 단일 시계 불안정도가 대략 4.8×10⁻¹⁷/√τ에 이르고 1시간 후의 유효 분수 정확도는 5.8×10⁻¹⁹이다.

ABSTRACT

Improvements in atom-light coherence are foundational to progress in quantum information science, quantum optics, and precision metrology. Optical atomic clocks require local oscillators with exceptional optical coherence due to the challenge of performing spectroscopy on their ultra-narrow linewidth clock transitions. Advances in laser stabilization have thus enabled rapid progress in clock precision. A new class of ultrastable lasers based on cryogenic silicon reference cavities has recently demonstrated the longest optical coherence times to date. In this work we utilize such a local oscillator, along with a state-of-the-art frequency comb for coherence transfer, with two Sr optical lattice clocks to achieve an unprecedented level of clock stability. Through an anti-synchronous comparison, the fractional instability of both clocks is assessed to be $4.8 imes 10^{-17}/\sqrtτ$ for an averaging time $τ$ in seconds. Synchronous interrogation reveals a quantum projection noise dominated instability of $3.5(2) imes10^{-17}/\sqrtτ$, resulting in a precision of $5.8(3) imes 10^{-19}$ after a single hour of averaging. The ability to measure sub-$10^{-18}$ level frequency shifts in such short timescales will impact a wide range of applications for clocks in quantum sensing and fundamental physics. For example, this precision allows one to resolve the gravitational red shift from a 1 cm elevation change in only 20 minutes.

연구 동기 및 목표

• 크라이오제닉 실리콘 캐비티 레이저를 이용한 두 개의 Sr 광학 격자 시계의 초정밀 간 비교 시연.
• Dick 효과와 양자 투영 잡음(QPN)에 의한 시계 불안정도 기여를 정량화.
• 공통 모드 잡음을 억제하기 위한 동시(동기) 및 반동기(anti-synchronous) 간섭 측정 시연.
• 광주파수 comb를 통해 1542 nm에서 698 nm로 레이저 안정성을 최소한의 저하로 전달.

제안 방법

• 124 K에서의 21 cm 크라이오제닉 실리콘 커패시티를 로컬 오실레이터로 사용하고 서브-열잡음 성능을 달성.
• 극저잡음 광주파수 comb과 안정화된 698 nm 레이저를 통해 698 nm로 안정성을 전달.
• 두 Sr 시계(1D 및 3D)를 550 ms 분광 시간과 570 ms 무효 시간으로 간섭 측정; 시계 보정 및 오차 신호를 측정.
• 레이저 잡음 모델 S_y(f)와 원자 감도 함수 G(f)를 이용하여 Dick 효과를 계산하고 불안정성을 예측.
• Dick 효과와 QPN 기여를 분리하기 위해 반동기와 동기 간섭 비교를 수행.
• 자기장 노이즈를 억제하기 위한 반상관 두 전이 Zeeman-취소 스킴을 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 크라이오제닉 실리콘 공동 안정화 레이저로 안정화된 레이저를 사용하여 두 개의 Sr 광학 격자 시계를 간섭 비교할 때 달성 가능한 분수 주파수 불안정도는?
• RQ2 Dick 효과와 양자 투영 잡음이 서로 다른 간섭 방식(반동기 vs 동기)에서 시계 불안정도를 어떻게 제한하는가?
• RQ3 공유된 레이저 광에 의한 실용적 장시간 간섭 비교에서 동기 간섭이 QPN 한계에 근접할 수 있는가?
• RQ4 한 시간 간섭 비교에서 달성 가능한 정밀도는 얼마이며 이것이 측지학과 기본 물리학 응용에 어떤 함의를 가지는가?

주요 결과

• 반동기 시계 간섭 비교는 5.5(3)×10⁻¹⁷/√τ를 산출하며 QPN 및 Dick 효과로부터 예측된 5.7×10⁻¹⁷/√τ와 일치한다.
• 동기 간섭은 3.5(2)×10⁻¹⁷/√τ를 달성하며 QPN 한계 2.8×10⁻¹⁷/√τ에 근접한다.
• 독립 작동에 대한 단일 시계 불안정도는 4.8×10⁻⁷/√τ로 추정되며 이는 이전 결과의 3배 개선이다.
• 1시간 평균에서 정밀도는 5.8(3)×10⁻¹⁹에 이른다.
• Dick 효과 예측은 구성을 불문하고 측정된 불안정도와 밀접하게 일치한다.
• 이 구성은 짧은 시간에 10⁻¹⁸ 미만의 주파수 편차를 해상화할 수 있게 하며 정밀 측정학과 상대론적 측지학에서의 실용적 가능성을 보여준다.